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1、 用CCD光强分布测量仪研究声光效应 班级：2014214104姓名：林玉立学号：2014212788光通过某一受到超声波扰动的介质时，会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。在之前的实验中我们曾用CCD光强分布测量仪观测光的夫琅禾费衍射，对CCD光强分布测量仪有着一定的了解。因此，我决定用CCD光强分布测量仪对声光效应进行研究。一、 实验目的1 了解声光效应的原理；2 测量声光器件的衍射效率和带宽及对光偏转的研究；3 利用声光效应测量声波在介质中的传播速度。二、 实验仪器He-Ne激光电源，声光器件，CCD光强分布测量仪，高频功率信号源，示波器，频率计。三、实验原理当超声波在介质中传播时，将引
2、起介质的弹性应变，这种应变在时间上和空间上是周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个相位光栅。光被弹性声波衍射有二种类型，当超声波频率较高时，产生布拉格（Bragg）型衍射；当超声波频率较低时，产生喇曼奈斯（Raman-Nath）型衍射。Bragg衍射相当于体光栅情况，而Raman-Nath衍射相当于薄光栅情况。两种光栅情况如图1所示。由于光波速度远大于声波速度约105倍，所以在光波通过介质的时间内，介质在空间上的周期变化可看成是固定的。对于Bragg衍射，当声光的距离满足，而且入射光束相对于超声
3、波波面以角斜入射时，入射光满足Bragg条件 式中为光波的波长，为声波的波长，固体介质的折射率为n。Bragg衍射只存在1级的衍射光。当声波为声行波时，只有+1级或-1级衍射光,如图2所示。当声波为声驻波时，1级衍射光同时存在，而且衍射效率极高。只要超声功率足够高，Bragg衍射效率可达到100%。所以实用的声光器件一般都采用Bragg衍射。而对于Raman-Nath衍射，满足条件 时出现衍射极大。式中m为衍射级数。Raman-Nath衍射效率低于Bragg衍射效率。其中1级衍射光的衍射效率最大不超过35%，但这种衍射没有Bragg条件的限制，所以对入射角要求不严格，调整方便。 图一 声光效应
4、示意图 图二 布拉格衍射 对于Bragg衍射，当Bragg角很小时，衍射光相对于入射光的偏转角为 （3）式中vs 为超声波的波速，fs 为超声波的频率。在Bragg衍射下，一级衍射的光衍射效率为 （4）式中Ps 为超声波的功率，L和H为超声换能器的长和宽，M2 为反映声光介质本身性质的一常数，为介质密度，P为光弹系数。 以上讨论的是超声行波衍射的情况，实际上，介质中也可能出现超声驻波衍射的情况。超声驻波对光的衍射也产生Raman-Nath衍射和Bragg衍射，而且各衍射光的方向的方位角和超声波的频率的关系与超声行波的情况相同。 由（3）式和（4）式可以看出，采用Bragg衍射，通过改变超声波的
5、频率和功率，可分别实现对激光束方向的控制和强度的调制。 本实验是利用“远场接受” 的衍射装置，如图3所示。1 声光器件本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。压电换能器又称超声发生器，是由铌酸锂压电晶体制成。它的作用是将高频功率信号源的电功率转换成声功率，并在声光介质中建立超声场。声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称为声光器件的中心频率fco，对于其他频率的超声波，其衍射效率将降低。一般认为衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3dB ( 即衍射效率降到最大值的 ) 时两频率间的间隔为声光器件的带宽。2 高频功率信号源 S0
6、2000功率信号源的频率范围为80-120MHz，最大输出功率1W。面板上的毫安表读数可作功率指示用，读数值10等于毫瓦数。3 CCD光强分布测量仪 LM601 CCD光强分布测量仪是一个线阵CCD器件，它可在同一时刻显示、测量各级衍射光的相对光强分布，不受光源强度跳变、漂移的影响。对于衍射角度的测量有很高的精度。4、 实验结果1.超声波频率和光相对强度的关系曲线f-I1 由图可知，拟合的曲线方程式，中心频率为96MHz,带宽为32Mhz。2. 衍射光相对于入射光的偏转角与超声波频率的关系曲线fs- (d和成正比，所以用d代替) 由图可知，d=0.106fs+0.2365,在误差允许的范围内，d=0.106fs，所以fs和d成正比,即fs和成正比。3. 衍射效率随功率变化的曲线P-I0/I15、 误差分析和建议 实验误差来源：CCD光强分布测量仪的测量精度有限和读数误差等。 实验建议：提高光强分布测试仪的精度，提供更加方便准确的读数设备以提高读数精度等。
